三维燃烧移动边界计算网格示踪技术

以任意设计的固体火箭发动机装药几何形状为对象,分析研究了燃面燃烧移动的基本规律,提出了一种三维复杂燃烧移动边界的示踪方法。它可以用于流场计算、发动机性能预示计算和侵蚀燃烧计算中,也可以发展成为一种燃面计算的新方法。文中以假想三维局部翼形装药为例进行了数值计算。     

二维装药通用计算方法及程序

所谓装药计算就是求出发动机内弹道计算所需要的装药几何参数。 现代的固体火箭发动机装填系数都很大,因而侵蚀燃烧现象比较严重。为了更准确地计算发动机的内弹道参数,必须考虑由于侵蚀燃烧而引起的装药截面积的变化。考虑这一因素的内弹道计算方法一般是将药柱沿轴线分段计算,这样就需要对装药每一节点处各个时刻的装药几何参数进行计算。装药计算量是相当大的,需要编制计算机程序来配合相应的内弹道计算。目前,国内大多数程序都是针对某一种特定药型的,这使得该程序的使用受到限制。所以有必要对目前国内固体火箭发动机中大量使用的装药进行研究,编制出通用的计算机程序。     

含缺陷固体装药燃烧异常实验分析

利用高速实时Ｘ射线荧屏分析技术,对固体火箭发动机装药经常出现的主要缺陷导致的异常燃烧现象进行研究,提出了含不同类型缺陷装药结构破坏的条件和模式,描述了推进剂裂纹、气孔和脱粘槽穴内的点火、燃烧和结构变形现象,分析了双基、丁羟、ＮＥＰＥ推进剂裂纹进一步扩展趋势和临界条件,为评估固体发动机含缺陷装药燃烧安全性提供了实验依据和分析方法。     

星孔药柱设计研究

推导了星孔药柱尾部装药和剩药燃面计算公式,提出了采用粗略内弹道计算优选药柱参数的设计方法,应用改进的一维准定常流动模型进行了精确内弹道计算,并与实验值进行了比较。计算结果和实验结果十分吻合,压强相对误差小于5％。本文提出的设计方法已成功应用于发动机设计中,大大减少了实验次数,节省了研制经费。本方法可适合于其它内孔燃烧发动机的装药设计。     

固体火箭发动机不完全燃烧的试验研究

用设置缓燃层改变装药燃面的变化规律观察发动机地面静止试验推力曲线变化的方法,研究了固体火箭发动机不完全燃烧产生的机理。结果发现,发动机燃烧室存在一个自由容积的阈值,这个值是影响发动机稳态为燃烧和非稳态燃烧的界限值。     

无喷管火箭发动机

本文综合现有的无喷管火箭发动机研究的成果,评述其优缺点.在此基础上,对无喷管发动机的工作特点和主要影响因素,如点火、燃烧、装药变形及两相流动等,进行了分析,以及讨论了无喷管发动机内弹道计算的有关问题.     

带有中心钝体的固体燃料冲压发动机工作性能分析

为提高固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能,提出了带有中心钝体的固体燃料冲压发动机方案,基于雷诺转捩和涡概念耗散方程建立了其湍流燃烧模型,并数值计算分析了其内流场、燃面退移速率、推力与总压损失。结果表明：带有中心钝体的冲压发动机内部流动过程较为复杂,钝体后部有四个漩涡,增强了发动机内来流空气与燃气的掺混;钝体孔隙中的高速气流与两侧的小尺度漩涡保证了钝体尾涡的稳定性;与普通固体燃料冲压发动机相比,在燃烧室中增加中心钝体能增大燃烧室内高温区面积,提高补燃室内温度,可使推进剂平均燃面退移速率提高26.11%,发动机推力提高22.12%,燃烧效率提高8.9%。     

解离效应对超燃冲压发动机燃烧与传热的影响特性研究

为了分析高温解离效应对超燃冲压发动机燃烧和传热的影响,在超声速流动与燃烧一维理论模型的基础上,提出了"解离效率"的概念,建立了一种对高温燃气解离吸热效应进行量化评估的方法和发动机流动理论分析模型.应用该模型对日本宇宙航空研究开发机构M12-02发动机模型进行了研究,定量分析了解离效应对飞行马赫数12条件下超声速燃烧流动...     

固体火箭发动机平均燃速预示

提出了用推进剂燃烧性能参数预示发动机平均燃速的思想。阐述了燃烧性能和燃烧环境的概念。导出了用推进剂燃烧性能参数预示发动机平均燃速的通用方法,并用试验数据对这一方法进行了验证。     

固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性试验

为研究固体燃料冲压发动机旋流燃烧特性,进行了直流与旋流对比直连式试验。固体装药内径40mm,长180 mm,成分为HTPB中加入65%的金属粉末。试验发动机采用火炬式点火器点火,空气由燃烧补氧式空气加热器加热至690 K,热空气流量300 g/s。试验测量了压力、推力等参数,使用监控录像对发动机尾焰进行拍摄,通过测量试验前后装药质量差获得固体燃料平均燃速。旋流试验未将旋流器伸入燃烧室即实现了火焰稳定,且旋流燃烧比直流燃烧表现出更好的稳定性,平均燃速较直流提高近50%。旋流燃烧尾焰存在明显的径向扩张,表明尾焰仍有切向动量,损失了部分推力。     

固体火箭发动机的声学分析及燃烧稳定性预估

提出一种预估固体火箭发动机燃烧稳定性的方法。文中着重研究了燃烧室内腔声场的有限元数值分析问题,并应用声学有限元素法对一个二维轴对称装药发动机燃烧室内腔进行了固有频率及固有振型计算。随后,在声学分析的基础上对该发动机做了燃烧稳定性预估。其结果与多次试车的结果一致。最后还就声学分析的验证,减少机时和内存,微粒尺寸的确定,预估方法及计算程序的通用性等问题进行了讨论。     

固体火箭燃气超燃冲压发动机燃烧组织技术研究

为了研究一次火箭室压、一次燃烧产物组分、不同燃烧室构型对于固体火箭燃气超燃冲压发动机性能的影响,采用全流道一体化数值模拟的计算方法,研究了纯气相一次燃烧产物的火箭室压、不同碳颗粒比例的一次燃烧产物、40%的碳颗粒含量的一次燃烧组分下分流道以及波瓣结构两种混合增强方式三种因素对于中心支板式固体火箭燃气超燃冲压发动机补燃室流动燃烧以及发动机性能的影响。结果表明:一次火箭室压增大的同时,由于一次火箭喷管面积比相应地随之增大,一次火箭喷管出口射流的平均压强并未增加,避免了壅塞现象的产生,同时随着一次火箭室压的增加,发动机的推力以及比冲均呈上升趋势;碳颗粒的含量越少,发动机的性能越高,发动机的性能对于推进剂的要求较高;两种混合增强方式对于补燃效率的提高意义明显,合理设计混合增强装置有助于发动机性能的提高。     

液氢/液氧火箭发动机喷雾燃烧过程三维数值模拟

用三维湍流Ｎ－Ｓ方程及拟流体模型描述液体火箭发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,两相之间的质量交换采用蒸发模型计算,气相化学反应速率采用Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ公式计算。采用ＳＩＭＰＬＥＲ与ＩＰＳＡ算法求解两相控制方程并对氢氧发动机燃烧流动过程进行了三维数值分析,得到了发动机推力室内燃气参数的详细分布情况。结果表明对氢氧发动机而言,蒸发过程非常快,推进剂混合过程是燃烧过程的决定因素。     

双推进剂端面燃烧发动机的燃烧特性和弹道性能

端面燃烧发动机的药型简单、装填密度也高.但是这种装药燃烧室有很多不利因素,所以端面燃烧仍较少采用.如今保护金属壳体而加厚隔热层,致使总的性能下降;为了使低空发射的飞行器具有足够的加速度,需要高比冲和高燃速推进剂,而高燃速复合推进剂的压力指数一般都大,使推进系统在燃烧室压力变化时反应很敏感.双推进剂药柱方案(图1),可以克服端面燃烧发动机的弱点.     

单室双药双推力发动机研究

本文介绍在一个燃烧室中、采用两种火药组成的装药同时燃烧实现单室双推力发动机的理论与实验研究的结果。建立了内弹道计算方程;导出了等面燃烧条件下两级平衡压力计算公式;比较了实验与理论计算结果。     

固液火箭发动机工作过程三维数值仿真

根据固体燃料壁面与气相间的流固耦合得出了固体燃料燃速模型,对采用星形装药的H₂O₂/HTPB(hydroxyl-terminated polybutadiene)固液火箭发动机进行了燃烧流动三维数值仿真,得到了流场参数的分布及不同位置的固体燃料燃速,与二维轴对称仿真结果进行了对比.计算结果表明:装药截面的火焰层形状与装药星孔型面形状相似,但火焰层厚度与位置在星根与星角处存在差异;随着轴向位置的增加,氧化剂不断消耗,火焰层向通道中心移动;固体燃料燃速与氧化剂流率及不同装药位置有关,其大小随氧化剂流率的增加而增加,星根处燃速比星角处大;在相同氧化剂流率下,三维星形装药比二维轴对称装药的平均固体燃料燃速大.      

ATR发动机燃烧室波瓣混合器张角及瓣宽比对掺混、燃烧特性的影响

为了促进空气涡轮火箭发动机燃烧室内来自压气机的空气和流经涡轮的富燃燃气的掺混、提高燃烧效率,本文基于空气涡轮火箭发动机燃烧室入口结构参数设计了波瓣混合器,并采用数值模拟方法通过调整张角及瓣宽比对波瓣结构进行优化。结果表明：1）保持外张角不变,增大波瓣内张角可以有效改善内涵燃料在燃烧室中心轴附近区域燃烧不完全的状况;2）在内、外张角相同的条件下,通过减小瓣宽b2使瓣宽比 大于1可以提升掺混及燃烧效率;3）相对于非反应流动,波瓣诱导流向涡在反应流中强度更高,沿径向向外移动的速度也更快;4）带有波瓣结构的燃烧室内,因内、外涵气流掺混造成的总压损失很小,80%以上的总压损失是由加热造成的。     

超燃冲压发动机内外流场三维燃烧数值模拟

以某型煤油燃料超燃冲压发动机整机模型为研究对象,对发动机外流场的流动与发动机内的流动燃烧过程开展了耦合三维数值模拟研究.燃烧室壁面静压计算结果与实验数据吻合良好,平均相对误差为4.9%,验证了数值方法的有效性.结果表明:内流场的流动燃烧状况既受到外流场捕获空气流量的限制,又会反过来影响着外流场的激波结构;泄压孔对保持发动机中各部件流量匹配起到关键作用;由于进气道内激波与边界层的相互作用以及泄压孔诱发的斜激波的影响,流场在第1处燃油喷射孔附近呈现出燃烧流场不对称特征.      

侵蚀燃速辨识

本文将控制论中的辨识技术用于确定固体推进剂火箭发动机装药的侵蚀燃速关系式,对燃速辨识方法作了较为全面和详细的研究.通过对假想发动机作燃速辨识,对该方法的可行性作了充分的论证.用燃速辨识法对真实型号的发动机作了侵蚀燃速辨识,获得了同一发动机装药在不同初温下侵蚀燃速关系式.由于燃速辨识仅需利用一条发动机试车压力一时间曲线,并且在电子计算机上用最优化方法给出结果,因而该方法具有迅速、经济、准确等优点,能更实际地研究固体火箭发动机工作状态下的装药侵蚀燃烧特性.而且便于观察过去实验研究做得较少的初温对侵蚀燃速的影响.这是一种在工程应用上确定装药侵蚀燃速的切实可行的方法.     

复合推进剂侵蚀燃烧特性的κ-ε参数表征

本文从推进剂侵蚀燃烧机理分析出发,综合片型装药发动机中止燃烧试验与相应的燃烧室内流场N-S方程组STMPLE方法数值分析的特点,导出一种由燃面上k~2/ε和p参数表述推行剂侵蚀特性的新方法,并成功地应用于4B丁羟复合药侵蚀特性的研究中.